Нано-и биотехнологии

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ   Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение  высшего пРофессионального  образования российский государственный  аграрный университет – МСха имени К.А. Тимирязева  (ФГбОУ ВПО ргау - МСХА имени К.А. Тимирязева)

 

Направление подготовки

110100.68 – АГРОХИМИЯ И АГРОПОЧВОВЕДЕНИЕ

Магистерская программа  «Химико-токсикологический анализ объектов агросферы»

 

 

Кафедра физической и органической химии

 

 

Курсовой проект

по дисциплине:

«Нанотехнологии и материалы в контроле качества продукции растениеводства»

на тему:

«Нано-и биотехнологии»

 

 

                                                                                             Выполнила:

 

Криволапова О.А.,

студентка 214 группы

                                                                        факультета ПАЭ

 

                                                                        Проверил:

 

                                       Белопухов С.Л., профессор

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2013 г.

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………...3

 

1. Понятие «биотехнология»………………………………………………..4

2. Понятие «нанотехнология»………………………………………………5

2.1 Краткая история  развития………………………………………………5

3. Современный уровень  развития нанотехнологий………………………7

4. Нанобиотехнология……………………………………………………….8

4.1 Нанобактерии…………………………………………………………….9

5. Наномедицина……………………………………………………………11

5.1 Зачем медицине нанотехнологии?.........................................................12

6. Значение применений  нанотехнологий………………………………...14

7. Последствия применения  био- и нанотехнологий……………………..16

Заключение………………………………………………………………….20

Список литературы…………………………………………………………22

 

 

Введение

В большинстве стран, в том числе и в России, биотехнология  рассматривается как приоритетное направление, во многом определяющее технический прогресс и развитие общества.

Некоторые биотехнологические процессы, относящиеся к производству продуктов питания, были известны в  древние времена. Традиционная биотехнология  завоевала мировой рынок и  в экономическом плане вносит большой вклад в развитие, как отдельных фирм, так и стран в целом. Только сравнительно недавно традиционные биотехнологические процессы были тщательно изучены и проанализированы. Однако потребуется еще значительное время пока они будут модифицированы в современные научно-обоснованные технологии.

Таким образом, биотехнология  находит применение в решении  многих актуальных задач и позволяет  находить неожиданные решения, например, извлечение химических элементов из руд с использованием микроорганизмов – отрасль, получившая название микробиологической гидрометаллургии.

Наноинженерия с использованием молекулярного дизайна – это  высокоэффективная технология, которая  должна сыграть важную роль в будущем  биотехнологии и в ближайшие  десятилетия может изменить нашу жизнь.

Проведенные в 2002, 2003, 2005 и 2007 гг. московские международные конгрессы  «Биотехнология: состояние и перспективы  развития» и международные специализированные выставки «Мир биотехнологии» вызвали  широкий резонанс в мировом научно-техническом и деловом сообществе. Эти конгрессы убедительно доказывают, что Россия имеет хорошую фундаментальную базу во всех областях современной биотехнологии и большие перспективы дальнейшего её развития. Биотехнология в нашей стране должна стать главной технологией ХХI века. [3]

 

1. Понятие «биотехнология»

иотехнология

Биотехнология - совокупность промышленных методов, использующих живые  организмы и биологические процессы, достижения генной инженерии (отрасли  молекулярной генетики, связанной с  созданием искусственных молекул вещества, передающего наследственные признаки живого организма) и клеточной технологии. Такие методы применяются в растениеводстве, животноводстве, при изготовлении ряда ценных технических продуктов. Разрабатываются биотехнологические программы обогащения бедных руд и концентрации редких и рассеянных в земной коре элементов, а также преобразования энергии.

Под биотехнологией понимают совокупность методов и приемов  использования живых организмов, биологических продуктов и биотехнических систем в производственной сфере. Иными словами, биотехнология применяет современные знания и технологии для изменения генетического материала растений, животных и микробов, способствуя получению на этой основе новых (зачастую принципиально новых) результатов.

Биотехнология – это  биотехнические исследования, которые  развиваются в связи с усилением  взаимодействия биологии и технических  наук, особенно с материаловедением  и микроэлектроникой. В результате чего создаются биотехничесикие  системы, биоиндустрии и биотехнологии.

В узком смысле биотехнологиями  называют использование живых организмов в производстве и переработке  различных продуктов. Современные  биотехнологии основаны главным  образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток.

В широком смысле биотехнологиями  называются технологиии, использующие живые организмы или продукты их жизнедеятельности. Или так: биотехнологии  связаны с тем, что возникло биогенным  путем. [1]

 

2. Понятие «нанотехнология»

 

Любой материальный предмет - это всего лишь скопление атомов в пространстве. То, как эти атомы  собраны в структуру, определяет, что это будет за предмет (С. Лем).

Биотехнология главным  образом известна своим применением  в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве, но в последние годы все большее внимание уделяется созданию новых биологических материалов и машин с самыми разнообразными структурами, функциями и назначением. Эта тенденция усилилась с приходом нанотехнологий.

Слово нанотехнология произошло от единицы измерения нанометр (10-9 метра), составляющей одну тысячную микрометра (микрона), что является приблизительным размером молекулы.

Нанотехнология –  изучение, производство и работа со сверхмалыми структурами и приспособлениями возникла благодаря созданию микроскопических приборов. Сегодня много молодых компаний работает в направлении развития нанотехнологий.

Наиболее многообещающими  могут быть исследования компаний в  области нанобиотехнологии, наноэлектроники  и в создании новых материалов.

Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Вывод: нанотехнологии - это принципиально новый, наноотраслевой приоритет, он един для всех отраслей науки и промышленности.

Фактически, переход к  нанотехнологиям знаменует движение цивилизации в ближайшие 10-20 лет  к принципиально новому экономическому укладу. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

- изготовление электронных  схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами  сравнимыми с размерами молекул  и атомов;

- разработка и изготовление  наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;

- непосредственная манипуляция  атомами и молекулами и сборка  из них всего существующего.

 

2.1 Краткая  история развития

 

Отцом нанотехнологии можно  считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества.

Примером первого использования нанотехнологий можно назвать изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

Один нанометр (от греческого «нано» - карлик) равен одной миллиардной  части метра. На этом расстоянии можно  вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру. [2]

 

 

3. Современный уровень  развития нанотехнологий

 

В настоящее время  наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды.

Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в  дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов.

Общемировые затраты  на нанотехнологические проекты  превышают $9 млрд. в год. На долю США  приходится примерно треть всех мировых  инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле - Европейский Союз и Япония. Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре, Бразилии и Тайване. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 2 млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, составит, как минимум, несколько сотен миллиардов долларов и, возможно, приблизится к $1 трлн.

 

 

4. Нанобиотехнология

 

Нанобиотехнология –  область нанонауки и наноинженерии, применяющей методы и подходы  нанотехнологии для создания биоструктур  и изучения биологических систем. Нанотехнологи также используют способность биомолекул к самосборке в наноструктуры. Так, например, липиды способны спонтанно объединяться и формировать жидкие кристаллы. Молекулы пептидов в воде формируют правильные нановолокна, которые, в свою очередь, связываются и образуют каркасы.

“ПюраМатрикс” – это коммерчески реализованный каркасный материал из нановолокон, который получил свое название благодаря идеальности в качестве биотехнологически разработанного биологического каркаса. Ученые-биомедики во всем мире сейчас используют его для изучения раковых и стволовых клеток и для воссоздания костной ткани. Наличие в каркасах из нановолокон пор размером от 5 до 200 нанометров и чрезвычайно высокое содержание воды обусловливают возможность их использования при трехмерном выращивании клеток и тканей в восстановительной медицине.

Помимо этого благодаря  малым размерам пор этих каркасов, очевидно, их можно будет использовать для постепенного выделения медикаментов для пролонгирования их действия. Устройство с нанокаркасом для медленного выделения может имплантироваться в кожу с запасом лекарства на месяцы, и даже годы.

ДНК используется не только для создания наноструктур, но и  в качестве важного компонента наноустройств. Вполне вероятно, что ДНК, представляющая собой молекулу, хранящую информацию, может стать основным компонентом компьютеров следующего поколения. Вместо того чтобы создавать кремниевую основу микросхемы, нанотехнологии смогут использовать двухцепочечную молекулу ДНК, которая представляет собой натуральный каркас для создания наноструктур, а ее способность к высокоспецифичному связыванию позволяет объединять атомы в предсказуемой последовательности, необходимой для создания наноструктуры.

К тому времени, как микропроцессоры  и микросхемы превратятся в нанопроцессоры и наносхемы, молекулы ДНК могут  заменить используемые в настоящее время неорганические полупроводники. Такие биочипы будут представлять собой ДНК-процессоры, использующие исключительную способность ДНК к хранению информации.

Другие биологические  молекулы также используются для  создания способов передачи как можно большего количества информации. Например, некоторые исследователи изучают возможность использования поглощающих свет молекул подобных тем, что содержатся в сетчатке глаза, для тысячекратного увеличения объема хранящейся на компакт-дисках информации. Применение нанобиотехнологии будет способствовать развитию экологически чистых производственных процессов.

Исследования по практическому  применению нанобиотехнологии в  медицине направлены на совершенствование  средств и методов диагностики, профилактики и лечения. К ним можно отнести:

– повышение чувствительности и экспрессности анализа, что  позволит осуществлять раннюю диагностику  заболеваний и уже в ближайшее  время может быть использовано для  обнаружения онкологических, эндокринных  и сердечно-сосудистых заболеваний, вирусных и бактериальных инфекций. Особым типом наноустройств являются биочипы, основанные на применении полимеразной цепной реакции. Они позволяют оценить генетический статус обследуемого пациента и/или патогенного микроорганизма и спланировать мероприятия по профилактике и лечению;

– повышение производительности позволяет проводить комплексное  обследование по набору диагностических  критериев, что может быть использовано для индивидуального подхода  к лечению и профилактике;

– создание биосенсоров путем объединения биологического и электронного компонентов в один миниатюрный прибор;

– разработка молекулярных детекторов на основе нанопор;

– изучение возможности  получения и применения, эффективных  фармпрепаратов и вакцин в виде наночастиц;

– создание на основе наноструктур системы адресной доставки лекарств, позволяющей повысить специфичность  и скорость доставки функциональных молекул в клетки-мишени.

 

4.1 Нанобактерии

 

По мнению ученых, нанобактерии играют важную роль в образовании минералов, превращении вулканических пород в почву и коррозии металлов.

Проявление некоторых  патологических состояний почек  у человека, в частности образование  камней, было объяснено наличием нанобактерий. Известно, что:

1. Нанобактерии не  синтезируют собственные аминокислоты, жирные кислоты (и, возможно, нуклеотиды), а используют готовые, получая их из окружающей среды. При нехватке экзогенных жирных кислот мембранные липиды могут частично заменяться фосфатом кальция.

2. У нанобактерий отсутствуют  энергоемкие системы активного транспорта, характерные для про- и эукариотических клеток. Транспорт веществ осуществляется за счет диффузии и броуновского движения, чему способствуют ультрамикроскопические размеры бактерии.

3. Концентрация растворенных  веществ и осмотическое давление внутри нанобактерий не отличается от окружающей среды. В связи с этим нанобактериям не требуются энергозатратные системы поддержания внутриклеточного гомеостаза.

Но многие ученые, тем  не менее, сомневаются в том, что  нанобактерии действительно являются жизненной формой, и утверждают, что с большей вероятностью это органические структуры, а не биологические.

Несмотря на то, что  со времени первого обнаружения  бактерий прошло около 20 лет, существование  нанобактерий на данное время является одним из спорных научных вопросов.

 

 

5. Наномедицина

 

Современные приложения нанотехнологий в медицине можно  разделить на несколько групп:

1. Наноструктурированные  материалы, в т.ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань.

2. Наночастицы. Спектр  возможных применений чрезвычайно  широк. Он включает борьбу с  вирусными заболеваниями, такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определённых клеток и показывающее их расположение в организме.

3. Микро- и нанокапсулы. Миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами могут быть использованы для доставки лекарственных средств в нужное место организма. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа.

4. Нанотехнологические  сенсоры и анализаторы. Использование  микро- и нанотехнологий позволяет  многократно повысить возможности  по обнаружению и анализу сверхмалых  количеств различных веществ.  Одним из вариантов такого  рода устройства является «лаборатория на чипе» (lab on a chip). Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот, обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.

5. Медицинские применения  сканирующих зондовых микроскопов.  Сканирующие микроскопы представляют  собой группу уникальных по  своим возможностям приборов.

Они позволяют достигать  увеличения достаточного, чтобы рассмотреть  отдельные молекулы и атомы.

6. Наноинструменты и  наноманипуляторы. Наноманипуляторами  можно назвать устройства, предназначенные  для манипуляций с нанообъектами  - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могу служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

В настоящее время созданы прототипы  нескольких вариантов "нанопинцета". В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъект с помощью луча лазера. В недавней работе ученых Корнельского и Массачусетского университетов им удалось "размотать" молекулу ДНК с нуклеосомы. При этом они тянули ее за конец с помощью такого "лазерного пинцета".

7. Микро- и наноустройства различной степени автономности. В настоящее время всё большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей. Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несёт на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

Сегодня для врачей и фармакологов очевидна аксиома, что лекарства, упакованные в липосомы, становятся более эффективными и безопасными, точно попадают к органам-мишеням и позволяют снизить дозу препаратов. Применение наноконтейнеров в медицине открывает перед ней новые возможности и новые перспективы манипуляций с мини-дозами препаратов.

 

5.1 Зачем медицине  нанотехнологии?

 

"Поскольку основной объект  воздействия современной медицины - это клетка, а зачастую - макромолекулы, - то и инструменты для их  починки должны быть того же  порядка, что и объект, то есть  нанометрового диапазона". Для медицины наноразмеры - это все, что меньше 1 мкм, получается, что это понятие в медицине несколько менее строгое, чем в физике или химии. Важно, чтобы нанообъект проходил через поры капилляров размеров 100-200 нм.

ЛЕКАРСТВЕННЫЕ НАНОПРЕПАРАТЫ "КОНТЕЙНЕРЫ". Существенно не более или менее строгое ограничение размеров нанообъектов, а то, что при переходе к этим размерам объект приобретает качественно новые свойства. Именно этим и отличаются лекарственные нанопрепараты. Под этим словом понимают лекарства, молекулы которых упакованы в наноконтейнеры - например, липосомы. В таком "упакованном" виде они поступают в организм, достигают органов и клеток-мишеней, высвобождают лекарство и распадаются на безопасные части, которые организм покидают. В липосомном виде увеличивается растворимость многих лекарственных веществ, что крайне важно для их действия. Уменьшается токсичность, поскольку действующее вещество защищено липосомной оболочкой. Поэтому лекарство действует только тогда, когда достигает клетки-мишени, никак не раньше, и по пути не деградирует, а доходит в активной форме. Все это позволяет снизить эффективную дозу лекарства, что особенно существенно, например, для онкологических больных, получающих химиотерапию. В основе прицельной доставки нанопрепаратов к мишеням лежат два основных механизма.

Во-первых, они обладают свойством пассивного нацеливания. В районе воспаления в капиллярах расширяются поры, и липосомы проходят как раз через эти поры, то есть, попадают именно туда, куда нужно. Но можно организовать еще и активный транспорт, присоединяя к наночастице "молекулярный адрес" к рецепторам на мембранах клеток-мишеней.

НАНОПРЕПАРАТЫ В ОНКОЛОГИИ. В Харькове производят липосомный доксорубицин ("Липодокс") - препарат для химиотерапии рака. Показано, что его липосомная форма действует в несколько раз эффективнее, чем просто раствор. В препарате бетулиновой кислоты, которая действует против меланомы, липосомная форма существенно повышает растворимость, а еще лучше растворяется вещество в форме нанокристаллов.

НАНОПРЕПАРАТЫ В НЕВРОЛОГИИ. Разработана и липосомная форма  противопаркинсонической субстанции ДОФА. В крови ДОФА быстро деградирует, так что только 20% введенного лекарства достигает гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Липосомы облегчают прохождение вещества через ГЭБ. При применении липосомной формы ДОФА эффективную дозу можно уменьшить в 10 раз, а продолжительность действия лекарства в два-три раза увеличивается. Липосомы позволяют использовать для лечения не ДОФА, а сам дофамин. Это именно то, чего не хватает клеткам мозга при болезни Паркинсона, но без липосом он не оказывает никакого эффекта.

НАНОПРЕПАРАТЫ В ИММУНОЛОГИИ. Экстракт березовой коры обладает большим  набором биологической активности: антиоксидантной, ммуномодулирующей, антимутагенной и пр. Из этого экстракта изготовили наночастицы, которые, как они показали, взаимодействуют с иммунными клетками. Разработаны нанопрепараты, три производятся промышленно, также некоторые препараты проходят клинические испытания.

РЕГЕНЕРАТИВНАЯ МЕДИЦИНА. В области клинической медицины самое существенное применение биомедицинскких  нанотехнологий осуществлено при решении  проблем доставки препаратов и регенеративной медицине. Наночастицы позволят врачам доставлять лекарство точно к месту болезни, увеличивая эффективность и минимизируя побочные эффекты. Они также предлагают новые возможности для контролируемого вывода терапевтических веществ. Наночастицы также могут использоваться, чтобы стимулировать врожденные механизмы регенерации.

 

 

6. Значение применения  нанотехнологий

 

В целом же, разработка и применение нанотехнологий позволят достичь следующих основных целей:

1. Изменение структуры  валового внутреннего продукта  в сторону увеличения доли наукоемкой продукции.

2. Повышение эффективности  производства.

3. Переориентация российского экспорта в основном, сырьевых ресурсов на конечную высокотехнологичную продукцию и услуги путем внедрения наноматериалов и нанотехнологий в технологические процессы российских предприятий.

4. Создание новых рабочих  мест для высококвалифицированного  персонала инновационных предприятии,  создающих продукцию с использованием  нанотехнологий.

5. Развитие фундаментальных  представлений о новых явлениях, структуре и свойствах наноматериалов.

6. Формирование научного  сообщества, подготовка и переподготовка  кадров, нацеленных на решение  научных, технологических и производственных  проблем нанотехнологий, создание  наноматериалов и наносистемной  техники, с достижением на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках.

Президентом Российской Федерации «Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», являются: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечение обороны и безопасности страны.

Одним из реальных направлений  достижения этих целей может стать  ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России.

Развитие направлений  науки, техники и технологий, связанных  с созданием, исследованиями и использованием объектов с наноразмерными элементами, уже в ближайшие годы приведет к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности.

В России работы по разработке нанотехнологий начаты еще 50 лет назад, но слабо финансируются и ведутся  только в рамках отраслевых программ. К настоящему времени назрела необходимость формирования программы общефедерального масштаба с учетом признания важной роли нанотехнологий на самом высоком государственном уровне.

Нанотехнологии могут  стать мощным инструментом интеграции технологического комплекса России в международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции.

Разработка и успешное освоение новых технологических  возможностей потребует координации  деятельности на государственном уровне всех участников нанотехнологических проектов, их всестороннего обеспечения (правового, ресурсного, финансово-экономического, кадрового), активной государственной поддержки отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках.

 

 

7. Последствия применения  био- и нанотехнологий

 

В глобальном масштабе биотехнологии должны обеспечить постепенный переход к использованию возобновляемых природных ресурсов, включая использование солнечной энергии для получения водородного и жидкого углеводородного топлива. Биотехнологические методы открывают новые возможности в таких областях, как добыча полезных ископаемых, утилизация отходов и защита среды обитания, получение новых материалов и биоэлектроника.